塞罕坝地区典型人工林生物碳贮量的比较

王志杰，房子怡，张菲，张岩，许中旗

(1河北省塞罕坝机械林场总场，河北 围场 068466；2河北农业大学 林学院，河北 保定 071000)

由大气浓度增加导致的全球变暖是人类当前面临的最大威胁[1-3]。大量研究表明，森林作为陆地生态系统的主体对大气CO2浓度具有重要的调节作用，张新俊等研究表明全球森林对碳的吸收和储存占每年大气和地表碳流动量的90%，孙宝明研究表明不同植被类型的固碳能力也不同，其中森林的固碳能力最强[4-5]。焦振认为森林生态系统覆盖着地球陆地表面的27%，保存陆地碳储量的60%，是陆地生态系统的重要碳库，在减缓大气CO2浓度升高方面扮演着重要角色[6]。通过人工造林固定已成为降低大气CO2浓度的重要途径，因此《京都议定书》中规定，各国家可以利用造林和再造林来抵消本国的温室气体排放指标[7]。

但是，林分碳贮量与森林的类型密切相关。胡海清等研究表明大兴安岭5种不同林型的碳汇功能存在较大差异，从幼龄林到成熟林单位面积生物碳储量由大到小的增幅排列顺序为：兴安落叶松林>蒙古栎林>白桦林>樟子松林>山杨林[8]。孙丽娜等研究表明山西森林植被碳储量中乔木林碳储量以栎类林最大，其次为油松林[9]。陈晓凤研究发现北京市乔木林中栎类、杨树和油松是森林碳储量的主要贡献者，在2006年和2016年时3者的碳储量排序为：栎类>杨树>油松，在2011年3者的碳储量排序为油松>栎类>油松[10]。刘臻研究发现晋西3种人工林生态系统总碳密度趋势是油松>刺槐>侧柏[11]；刘豪等研究发现山西省乔木林优势树种类型的固碳能力从大到小的顺序依次为杨树、油松、华北落叶松、刺槐、针阔混、其他针叶类和其他软阔类[12]。张春华等研究发现在2004-2008年和2009-2013年山东省2次森林清查期，杨树的碳储量均为最大，硬阔、软阔类次之，落叶松、油松均较小[13]。已有研究说明，不同的林分类型的碳汇功能具有很大差异，对于碳汇林的营造具有重要的指导意义。但是，目前的研究中多以现实林分为主，而现实林分难以克服由具体林分差异带来的难以比较的问题。因此本研究以塞罕坝机械林场的华北落叶松、樟子松和云杉这3种树种的人工林为研究对象，基于林分标准收获表的编制思想，对3种林分的最大生物碳贮量进行了比较。通过构建该地区这3种不同树种生物量模型，以探究华北落叶松、樟子松和云杉在该地区的碳贮量差异，为该地区以增加碳汇为目标的人工林营造和经营提供科学依据。

1 研究地区概况

塞罕坝机械林场位于河北省承德市围场满族蒙古族自治县北部坝上地区，中心地理位置为E 116°51′～117°39′，N 42°02′～42°36′，海拔1 010～1 939.9 m。该林区的土壤类型主要为山地棕壤土、风沙土和灰色森林土。塞罕坝处于森林-草原交错区，森林类型多种多样，共有林地面积74 666.7 hm2，其中人工林有57 333 hm2，森林覆盖率达80%，林木总蓄积5.02×106m3，年均生长率达9.7%[7,14]。

该地区林区气候寒冷，冬季长，春秋短，属于寒温性大陆季风气候，年均气温-1.3 ℃，年极端最高气温为33.4 ℃，最低为-43.3 ℃；年均无霜期64 d，短且不稳定；年均积雪天数可达7个月；年均降水量460 mm，蒸发量1 339.2 mm。且该地区常有霜冻、干旱、大风等灾害性天气[15]。

2 研究方法

2.1 样地设置及调查

首先通过调查与实地考察，了解塞罕坝机械林场中华北落叶松、樟子松、云杉3种典型人工林的分布状况和林分状况，采用典型取样的方法选择样地，选取具有代表性的林分，要涉及到每一树种的不同林分年龄、不同林分密度、不同立地条件等，共设样地60块，面积为900 m2，在每一个样地内进行每木检尺，需要使用到的实验仪器有：胸径尺、皮尺、勃鲁莱测高器。测量的内容包括胸径、每棵树的具体坐标、树高、冠幅和土壤厚度等。

2.2 生物量的测定

2.2.1 单株生物量及其各器官的比较 引用贾彦龙及楚聪颖得到的华北落叶松、樟子松和云杉的单木生物量模型，对不同胸径林木的单株生物量进行计算，见表1[16-17]。

表1 华北落叶松、樟子松松及云杉的生物量模型Table 1 Biomass models of Larix principis-rupprechtii, Picea meyeri and Pinus sylvestris var. mongolica

2.2.2 林分密度的测定 根据调查样地所得的数据，建立起胸径与平均冠幅的相关关系，详情见图1。

图1 胸径与平均冠幅之间的线性关系Figure 1 Linear relationship between DBH and mean crown width

假设林分内的密度均按最大密度计算，即林地被充分利用，树冠与树冠相互连接，林地完全被覆盖，这时的林分密度为林地面积与树冠面积之比，也就可以将每株树木的冠幅抽象为一个正六边形，正六边形边长为林木冠幅，再由林地面积除以正六边形面积得到林分密度，最后，用密度乘以华北落叶松、樟子松及云杉的单株生物量模型，即得出了各林分的总生物量。

如图2所示，假设树冠形状接近于六边形，则树冠面积则为：

图2 林分中树冠相接示意图Figure 2 Tree crown connection in stand

(1)

其中，S为树冠面积，L为林木平均冠幅。

2.2.3 林分生物量碳贮量的测定 由单株生物量乘以林分密度得到林分的总生物量。然后再由生物量乘以0.5得到碳贮量，即：碳贮量=生物量×含碳量(0.5)[18]。

2.3 数据统计

使用Excel 2010进行数据处理和做图。

3 结果与分析

3.1 单株地上生物量的比较

不同树种单株及各器官生物量比较见图3。由图3可以看出，在林木胸径相同时，3个树种单株生物量具有明显差异，且差异随林木胸径的增加而增大。胸径10～40 cm单株地上生物量由大到小依次为华北落叶松、云杉、樟子松，分别为25.87～661.53 kg、20.42～564.18 kg和20.48～527.17 kg。同时，由图3还可以看出，3个树种不同器官生物量的排序并不相同。以胸径30 cm单株林木为例，干生物量由大到小的排序依次为：华北落叶松、樟子松、云杉，依次为300.17 kg、215.30 kg和152.75 kg；枝生物量由大到小的排序依次为华北落叶松、云杉、樟子松，分别为86.08 kg、59.99 kg、34.53 kg；叶生物量由大到小的排序依次为云杉、樟子松、华北落叶松，分别为105.04 kg、21.37 kg、5.55 kg。由以上结果可知，不同树种在胸径相同时，其生物量并不相同，同时生物量在不同器官的分配也有明显不同。华北落叶松总生物量最大，且其干、枝生物量也最大，云杉的生物量低于华北落叶松，但其叶片生物量最大。

图3 不同树种单株及各器官生物量的比较Figure 3 Comparison of individual and organic biomass among different species

3.2 单株碳贮量及其分配

单株碳贮量及其分配见图4。

图4 单株碳贮量的比较Figure 4 Comparison of carbon storage per plant

由图4可知，单株碳贮量与单株生物量的变化趋势相似。当胸径相同时，3个树种单株碳贮量有明显不同，且其差异随胸径的增加而增大。单株碳贮量由高到低分别为华北落叶松、云杉、樟子松，胸径10～30 cm时，分别为17.01～434.95 kg、13.43～370.95 kg、13.47～346.61 kg。

3个树种地上部分器官碳贮量的分配见图5。

图5 3个树种地上部分各器官碳贮量的分配Figure 5 The above-ground carbon stock of each organs distribution of 3 species

由图5可知，各树种碳在各个器官的分配有明显不同。华北落叶松的叶片所占比例随胸径的增加逐渐减小，其所占比例在1.29%～7.02%之间；侧枝中的碳所占比例则呈逐渐增加的趋势，为16.39%～24.58%，主干所占比例为74.13%～83.28%。樟子松叶片及侧枝所占比例则随胸径的增加呈逐渐下降的趋势，分别为19.44%～7.43%和22.11～12.25%，主干中的碳所占比例则呈明显逐渐增加的趋势，由58.45%上升至80.32%。云杉叶片中碳所占比例则随胸径的增加呈极明显的增加趋势，由8.95%增加到35.14%，枝条所占比例则相对稳定，在15.95%～18.98%之间，而主干所占比例则由75.12%下降至46.09%。

3.3 3种人工林总碳贮量的比较

3种人工林林分总碳贮量均随林分平均胸径的增加而增加，但是增加的趋势有所不同，见图6。

图6 人工林总碳贮量的比较Figure 6 Comparison of total carbon storage in artificial forests

由图6可知，随林分平均胸径的增加，云杉林和樟子松林的林分碳贮量增长较快，而华北落叶松林林分碳贮量增加的速率较为缓慢。在胸径小于16 cm时，华北落叶松林总碳贮量最高，其次为云杉，最低为樟子松；当胸径为13 cm时，华北落叶松总碳贮量为68.43 t/hm2，云杉为56.56 t/hm2，樟子松为41.87 t/hm2。当胸径在16～28 cm时，总碳贮量由高到低分别为云杉林、华北落叶松林和樟子松林；如当胸径为25 cm时，总碳贮量分别为99.95 t/hm2、78.70 t/hm2和75.36 t/hm2。当平均胸径大于28 cm时，总碳贮量由高到低分别为云杉林、樟子松和华北落叶松；如当胸径为35 cm时，其总碳贮量分别为127.0 t/hm2、96.05 t/hm2和86.05 t/hm2。3种人工林总碳贮量随林分平均胸径的变化趋势不同，其原因在于林分碳贮量受林木的单株碳贮量和林分密度的共同影响。3个树种的树冠大小与胸径的关系不同，相对于樟子松与云杉，相同胸径的华北落叶松林的冠幅更大，因此对空间的要求也更大，林分密度也更小。随胸径的增加，华北落叶松林的密度下降更快，尽管其单株的碳贮量明显高于樟子松和云杉，其林分碳贮量则低于樟子松林和云杉林。

4 讨论

本研究基于林木生长对地上空间的需求，即树冠大小，对比了3种人工林碳贮量的大小。研究结果表明，不同树种的树冠与胸径的关系不同，相同胸径条件下，各树种的树冠大小不同，因此，随胸径的变化3种林分的密度不同，导致3者之间林分碳贮量的相对大小呈现明显的阶段性。在林分平均胸径小于16 cm时，林分碳贮量由高到低分别为华北落叶松林、云杉林和樟子松林；当平均胸径在16～28 cm时，由高到低分别为云杉林、华北落叶松林和樟子松林；当平均胸径大于28 cm时，总碳贮量由高到低分别为云杉林、樟子松林和华北落叶松林。本研究云杉人工林碳贮量增长趋势与范围(42.92～138.63 t/hm2)与岳军伟等人研究结果相近，乔木层碳贮量从近熟林48.17 t/hm2增加至成熟林138.93 t/hm2[19]。樟子松人工林平均胸径在15 cm时碳贮量为48.34 t/hm2，该结果与袁立敏等人研究发现科尔沁沙地樟子松人工中龄林乔木层碳储量(57.8 t/hm2)的研究结果相似[20]，樟子松人工林碳贮量增长趋势与范围(31.47～104.82 t/hm2)与胡海清等研究结果相近，樟子松林单位面积生物量碳密度从中龄林的43.7 t/hm2增加到成熟林的92.6 t/hm2[21]。

同时也可以看出，碳在3个树种各个器官的分配比例也有明显差异，华北落叶松林、樟子松林碳在主干中的比例更大，云杉林主干中的碳所占比例相对较小。相对于侧枝和叶片，林木主干寿命更长，周转更慢，其碳库存在时间更长，因此林木将更多的碳分配在主干之中，更有利于其固碳功能的发挥。刘亚茜研究表明华北落叶松林的树干碳贮量所占比例最大，树枝碳贮量所占比例变动较大，树叶碳贮量随胸径的增加而降低，这与本研究中华北落叶松林的碳贮量分配比例相似[22]。韩美娜等研究表明樟子松人工林各器官碳储量所占比例各不相同，树干对乔木总碳储量的贡献最大，因此其所占比例最大，且所占比例随林龄的增加逐渐增大[23]；枝和根的碳储量占乔木总碳储量的比例相似，叶碳储量占乔木总碳储量的比例最小，且3者均随林龄的增加而减小，同样与本研究中樟子松人工林各器官碳贮量分配比例相似。岳军伟等研究发现云杉人工林在不同龄级树干平均碳储量占乔木平均碳储量的比例为50%左右，是乔木碳储量的主体，这与本研究中云杉人工林胸径大于27 cm之后的比例(27 cm时比例为55%)相似[19]。

本研究结果也表明，华北落叶松林的生物碳贮量随胸径的增加增长较为缓慢，其平均胸径从12 cm到36 cm，林分总碳贮量由67.58 t/hm2增长到86.72 t/hm2，提高了29%。齐光等研究表明，兴安落叶松在10～35年(4.57～16.49 cm)阶段，乔木的碳贮量为4.90～85.67 t/hm2，增加了16.48倍，兴安落叶松在26～61年(平均胸径为12.45～36.38 cm)阶段，乔木碳贮量为77.67～105.20 t/hm2，提高了35%，与本研究结果相近[24]。

本研究在进行3个树种的比较时，假设林木都充分生长，且林地被树冠完全充满，同时基于林木胸径与树冠的关系，确定林分的密度，该假设充分反映了不同树种的生物学特性，使得不同林分类型之间可以进行对比，克服了现实林分之间差异较大、难以对比的问题[25-26]。

5 结论

(1)胸径相同时，单株生物量和碳贮量以华北落叶松林为最高，其次为云杉林，最低为樟子松林。

(2)人工林林分总碳贮量均随林分平均胸径的增加而增加，但增加的趋势有所不同。在胸径小于16 cm时，华北落叶松林总碳贮量最高，其次为云杉林，最低为樟子松林；当胸径在16～28 cm时，总碳贮量由高到低分别为云杉林、华北落叶松林和樟子松林，当平均胸径大于28 cm时，总碳贮量由高到低分别为云杉林、樟子松林和华北落叶松林。

(3)各树种碳在各个器官的分配也有明显不同，华北落叶松的叶片和主干所占比例随胸径的增加逐渐减小，侧枝则相反；樟子松叶片及侧枝所占比例则随胸径的增加呈逐渐下降趋势，主干则相反；云杉叶片中碳所占比例则随胸径的增加呈极明显的增加趋势，主干所占比例相反，枝条所占比例则相对稳定。不同人工林生物碳贮量的相对大小与林分的平均胸径有关。